EP0251257A2 - Verfahren u. Anordnung zum Reflow-Löten und Reflow-Entlöten von Leiterplatten - Google Patents

Verfahren u. Anordnung zum Reflow-Löten und Reflow-Entlöten von Leiterplatten Download PDF

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EP0251257A2
EP0251257A2 EP87109260A EP87109260A EP0251257A2 EP 0251257 A2 EP0251257 A2 EP 0251257A2 EP 87109260 A EP87109260 A EP 87109260A EP 87109260 A EP87109260 A EP 87109260A EP 0251257 A2 EP0251257 A2 EP 0251257A2
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EP
European Patent Office
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circuit boards
phase
soldering
desoldering
during
Prior art date
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EP87109260A
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EP0251257A3 (en
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Helmut Ing. Ehler
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Deutsche Aerospace AG
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Publication date
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Publication of EP0251257A3 publication Critical patent/EP0251257A3/de
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/005—Soldering by means of radiant energy
    • B23K1/0053—Soldering by means of radiant energy soldering by means of I.R.
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/008—Soldering within a furnace
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H05K3/3494—Heating methods for reflowing of solder
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/11—Treatments characterised by their effect, e.g. heating, cooling, roughening
    • H05K2203/111—Preheating, e.g. before soldering
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/11—Treatments characterised by their effect, e.g. heating, cooling, roughening
    • H05K2203/1121—Cooling, e.g. specific areas of a PCB being cooled during reflow soldering

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an arrangement for performing this method.
  • Halogen spotlights with a gold-plated reflector are also known, which are suitable for reflow soldering of individual soldering points with a reduced operating voltage.
  • the object of the invention is to provide a method and an arrangement of the type mentioned at the outset which are suitable for automatic production lines in which the soldered goods are not damaged in the event of sequence faults and in which no vibrations occur in the critical soldering phases.
  • Figures 1 and 2 show an arrangement according to the invention schematically in longitudinal section and in cross section
  • Figures 3 and 6 show measured temperature profiles of solder joints on printed circuit boards of different thicknesses and made of different materials that were soldered by the method according to the invention.
  • printed circuit boards (3) with a thickness of approx. 0.1 to approx. 2.5 mm can be soldered, which consist, for example, of hard paper, hard tissue, epoxy glass hard tissue, epoxy glass hard tissue multilayer with, for example, Invar intermediate layers or are made of polyimide.
  • the points to be soldered are provided with flux-containing solder paste into which the solder connections of surface-mountable components (SMDs) are pressed in, or with solder molded parts, for example solder rings over wire connections, etc.
  • SMDs surface-mountable components
  • the assembled printed circuit boards (3) are moved into the oven (10) via an automatic transport system - running from left to right in FIG. 1.
  • Workpiece carriers (4) of an automatic production line can be used advantageously.
  • the transport system is operated in cycles; During the preheating and cooling intermediate phase and the soldering or desoldering phase, the printed circuit boards (3) are no longer moved, but remain at a fixed position in the furnace (10). In the furnace (10) are above and / or below the transport system at the same distance from the circuit boards (3), cf.
  • Figures 1 and 2 each a plurality of infrared area radiators (1) side by side and optionally also arranged one behind the other.
  • the infrared (IR) wavelength is preferably between about 1 ⁇ m and 3 ⁇ m.
  • the IR surface radiators (1) each have control circuits for the operating current. Each one is equipped with a current sensor which, coupled via a control loop with a phase control, keeps the preselected operating current constant at - 0.5%.
  • Figures 1 and 2 also have control circuits for their drive motors M.
  • the two fans (8) are each installed in a shaft (5).
  • the first of the two shafts (5) has an outward entry opening and an exit opening which is located on one side of the transport system approximately at its height.
  • the second of the two shafts (5) has an outward exit opening and an entry opening which is located on the opposite side of the transport system at approximately its height.
  • a third unregulated fan (7) is additionally installed inside the shaft for extracting the gas and the soldering vapors.
  • a flow sensor (6) which is part of the control circuit for the drive motor M of the associated fan (8), is mounted in the interior of the associated shaft (5) in the vicinity of the two regulated fans (8).
  • the regulation of the regulated fans (8) is set so that the air is led from the outside via the first shaft (5) to one side of the transport system, then laminar and horizontally guided past the transport direction of the printed circuit boards (3) and is discharged to the outside via the second shaft (5) on the other side of the transport system together with the soldering fumes.
  • the third fan (7) supports this removal process, wherein in an advantageous embodiment, additional air intake openings are provided in the exhaust duct (5) in front of the fan (7).
  • the speed of the regulated fans (8) and the unregulated fan (7) and the number and size of the additional air intake openings in the exhaust duct (5) are dimensioned such that at least during the preheating intermediate phase and the soldering or desoldering phase and during the intermediate cooling phase until the solder solidifies on the printed circuit boards (3), there is no negative pressure in the furnace (10).
  • the furnace (10) has on the side opposite the exhaust duct (5) in the middle, approximately at the height of the transport system, a hinged transparent viewing window (9) which, on the one hand, continuously monitors the processes taking place in the furnace (10). allows and on the other hand allows the removal of the desoldered components by hand (using tweezers or a gripper).
  • solder paste drying is also carried out in the arrangement according to the invention.
  • the associated temperature profile of a selected solder joint is shown in FIG. 4.
  • both heater groups (1) are switched on and operated with a low operating current, so that the solder paste dries for 90 seconds and circuit boards (3) and components heat up to approx. 110 ° C.
  • the operating current is switched higher for a predetermined first time of about 20 seconds (but still at a level which is still reduced compared to the maximum value), so that the loaded ones Heat circuit carrier (3) from 100 to approx. 160 ° C.
  • the operating current of the surface emitters (1) is switched to a highest predetermined level for a second predetermined time of 4 to 8 seconds and then switched off completely.
  • the components and solder joints heat up to approx. 240 ° C, the solder paste melting and the components being securely soldered to the solder joints.
  • the printed circuit boards (3) cool in a constant laminar air flow of approx. 0.5 m / sec of the fans (8), which are operated at approx. 30% of their nominal speed, down to approx. 170 ° C.
  • the fans (8) are then switched to full speed, as a result of which the air flowing past the circuit boards quickly cools them down to 60 to 80 ° C.
  • the transport system with the printed circuit boards (3) is now cycled to leave the furnace and e.g. fed to a continuous cleaning system.
  • the required levels of the operating current and the respective switch-on times of the individual operating levels are to be determined empirically depending on the item to be soldered.
  • the thickness of the base material, the mass of the components, the type of solder, etc. are involved.
  • FIGS. 3, 5 and 6 show soldering point temperature profiles for different types of printed circuit boards.
  • These setting parameters can be stored as soldering programs for the respective circuit board types in a programmable microcontroller and controller and can be called up again at any time (e.g. for further soldering or desoldering processes).
  • the solder paste drying can be separated from the rest of the process and e.g. in an upstream continuous furnace. A compensation loop is then set up between the two furnaces. When using molded solder parts, drying is not necessary and the preheating temperature remains the same.
  • the preheating time is 20 to 40 seconds depending on the type of circuit board.
  • the control circuits are controlled by timers (relays), or preferably by an infrared thermometer ("infrared sensor") (2) (wavelength 5 - 8 ⁇ m or 8 - 12 ⁇ m).
  • the IR sensor (2) is installed in the oven (10), cf. Figure 2, and measures the temperature e.g. a component or a solder joint. It switches the individual operating levels via limit contacts.
  • the fans (8) are switched on by the infrared sensor (2) and their speed is regulated and the transport system is clocked.
  • the circuit board-specific setting data can be attached to the workpiece holder by a bar code (4) or a printed circuit board (3), can be automatically read and set via an electronic control unit (e.g. a memory-programmed microcomputer control and regulation).
  • an electronic control unit e.g. a memory-programmed microcomputer control and regulation
  • printed circuit boards (3) must always be of the same type on a workpiece carrier (4).
  • temperature-controlled operation in order to determine the temperature, it is additionally necessary to ensure that one of the printed circuit boards (3) to be processed is always arranged at the location on the workpiece carrier (4) that is monitored by the IR sensor.
  • the printed circuit boards (3) to be machined with the components to be desoldered are brought either through the viewing window (9) or via the clocked transport system to a specific location in the furnace (10).
  • the other components of the printed circuit board (3) that are not to be desoldered are covered by metal sheets (preferably made of uncoated aluminum) from above and below and thus protected from the IR radiation.
  • solder paste is preferably applied to a solder joint of the component to be desoldered.
  • the component to be desoldered is first preheated to a certain solder joint temperature (approx. 160 ° C) and then briefly heated up to the melting temperature of the solder paste (approx. 183 ° C). The process is through the view window (9) observed. If the solder paste melts, the viewing window (9) is opened and the component to be desoldered is lifted from the circuit board (3) and removed by hand, for example using tweezers or a gripper.
  • the infrared sensor (2) is calibrated to the melting temperature of the additionally applied solder paste (e.g. by manually pressing a signal transmitter which is connected to the circuit board) when desoldering for the first time the IR sensor (2) or its control is connected) and the generation of the IR radiation (11) by the IR emitter (1) in the subsequent desoldering process is controlled directly by the IR sensor (2) without additional solder paste.
  • an inert protective gas such as B. use nitrogen or helium. It may also be advantageous to move the gas flow into a closed circuit with an external device for purifying the gas, the furnace being part of this closed circuit. It is also possible to use the infrared panel heater during the Cooling phase (preferably after the solder solidifies) is forced to cool down to a predetermined minimum temperature in order to ensure reproducible starting conditions. Furthermore, it can be advantageous (especially when reflow desoldering) not to switch on the infrared surface emitters that are not required at all.
  • the advantages of the present invention are: - That only a relatively small amount of heat is stored in the furnace, so that there is generally no destruction of the soldered goods when the system is switched off as a result of a fault in the production process. - That during the critical melting and solidification phase of the solder in the manufacturing process, the material to be soldered is not exposed to any vibrations which would have a negative effect on the strength and the metal structure of the solder joints. - That by using parallel heat rays from above and below, which are perpendicular to the top and bottom of the circuit board, on the one hand, only the components to be desoldered are desoldered and, on the other hand, no shadowing effects occur, so that chip carriers can be desoldered without problems .

Abstract

Verfahren zum Reflow-Löten bzw. -Entlöten von Leiterplatten mittels Infrarotstrahlung aus Strahlergruppen in einem Ofen. Die Leiterplatten werden auf einem getakteten Band oder Werkstückträger in den Ofen gefahren und während der Vorwärm-, Löt- bzw. Entlöt- und Abkühlphase nicht mehr bewegt. Zum Vorwärmen über eine erste vorgegebene Zeit werden die Strahlergruppen mit reduziertem Betriebsstrom betrieben. Zum Reflow-Löten bzw. -Entlöten wird der Betriebstrom der Strahlergruppen für eine zweite vorgegebene Zeit auf eine höchste vorgegebene Stufe geschaltet und anschließend ganz abgeschaltet. Die gelöteten bzw. entlöteten Leiterplatten werden im laminaren Luftstrom von Ventilatoren für das Absaugen der Lötdämpfe gekühlt; die Ventilatoren werden zunächst bis zum Erstarren des Lots mit reduzierter Drehzahl, und dann mit voller Drehzahl betrieben. Anschließend werden die Leiterplatten aus dem Ofen gefahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Zum Reflow-Löten von Leiterplatten sind verschiedene In­frarot-Durchlauföfen auf dem Markt. Diese weisen insbe­sondere folgende Nachteile auf : Wenn infolge einer Störung des Fertigungsablaufs (bei der Bestückung oder Lotdosie­rung) die Anlage abgeschaltet werden muß, kann es durch die große im Ofen gespeicherte Wärme zur Zerstörung des Lötguts kommen. Außerdem ist das Lötgut durch den Trans­port im Schmelz- und Erstarrungsbereich ständigen Er­schütterungen ausgesetzt, die die Festigkeit und das Metallgefüge des Lötstellen negativ beeinflussen.
  • Bekannt sind ferner Halogenpunktstrahler mit vergoldetem Refelktor, die mit von Hand reduzierter Betriebsspannung zum Reflow-Löten von Einzellötstellen geeignet sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die für automatische Fertigungsstraßen geeignet sind, bei denen bei Ablaufstörungen das Lötgut nicht beschädigt wird und bei denen in den kritischen Lötphasen keine Erschütterun­gen auftreten.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ist den Patentansprüchen 1 bzw. 15 zu entnehmen. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteil­hafte Weiterbildungen bzw. Ausführungen der Erfindung.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Figuren 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Anordnung schematisch im Längsschnitt und im Querschnitt, Figuren 3 und 6 zeigen gemessene Temperaturverläufe von Lötstellen auf Leiterplatten verschiedener Dicke und aus verschiedenen Materialien, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gelötet wurden.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können Leiterplatten (3) mit einer Dicke von ca. 0,1 bis ca. 2,5 mm gelötet werden, die z.B. aus Hartpapier, Hartgewebe, Epoxy-Glashartgewebe, Epoxy-Glashartgewebe-Multilayer mit z.B. Invar-Zwischen­lagen oder aus Polyimidbestehen. Die zu lötenden Stellen sind mit flußmittelhaltiger Lotpaste versehen, in die die Lötanschlüsse oberflächen-montierbarer Bauteile (SMDs) eingedrückt sind, oder mit Lotformteilen, z.B. Lotringen über Drahtanschlüssen usw..
  • Die bestückten Leiterplatten (3) werden über ein automa­tisches Transportsystem - in Figur 1 von links nach rechts laufend - in den Ofen (10) gefahren. Vorteilhaft einsetz­bar sind Werkstückträger (4) einer automatischen Ferti­gungsstraße. Das Transportsystem wird getaktet betrieben; während der Vorwärm- und Abkühl-Zwischenphase und der Löt- oder Entlötphase werden die Leiterplatten (3) nicht mehr bewegt, sondern verbleiben an einer festen Position im Ofen (10). Im Ofen (10) sind über und/oder unter dem Transportsystem in gleichem Abstand zu den Leiterplatten (3), vgl. Figur 1 und 2, jeweils mehrere Infrarot-­Flächenstrahler (1) nebeneinander und gegebenenfalls auch hintereinander angeordnet. Diese weisen parabolförmige goldbeschichtete Reflektoren auf, die eine gleichmäßige Verteilung der Strahlung über die Leiterplatten (3) gewährleistet, wobei die von den Infrarot-Flächen­strahlern (1) erzeugten Wärmestrahlen nahezu parallel verlaufen und annähernd senkrecht auf der Ober- bzw. Unterseite der Leiterplatten (3) stehen. Die Infrarot (IR)-­Wellenlänge liegt vorzugsweise zwischen etwa 1um und 3um.
  • Die IR-Flächenstrahler (1) weisen jeweils Regelschal­tungen für den Betriebstrom auf. Jeder einzelne ist mit einem Stromsensor versehen, der über einen Regelkreis mit einer Phasenanschnittsteuerung gekoppelt den vorgewählten Betriebsstrom auf - 0.5% konstant hält. Ventilatoren (8) zum Erzeugen einer laminaren Luftströmung und zum Ab­saugen der Lötdämpfe, vgl. Figur 1 und 2, weisen eben­falls Regelschaltungen für ihre Antriebsmotore M auf.
  • Die beiden Ventilatoren (8) sind jeweils in einem Schacht (5) angebracht. Der erste der beiden Schächte (5) weist eine nach außen gehende Eingangsöffnung auf und eine Aus­gangsöffnung, die sich auf der einen Seite des Transport­systems etwa in dessen Höhe befindet. Der zweite der beiden Schächte (5) weist eine nach außen gehende Aus­gangsöffnung auf und eine Eingangsöffnung, die sich auf der gegenüberliegenden Seite des Transportsystems etwa in dessen Höhe befindet. In der Nähe der Ausgangsöffnung des zweiten Schachts (5) ist im Inneren des Schachts zu­sätzlich ein dritter ungeregelter Ventilator (7) zum Absaugen des Gases und der Lötdämpfe angebracht. In der Nähe der beiden geregelten Ventilatoren (8) ist im Inneren des zugehörigen Schachts (5) jeweils ein Strömungssensor (6) angebracht, der Teil der Regel­schaltung für den Antriebsmotor M des zugehörigen Ventilators (8) ist.
  • Die Regelung der geregelten Ventilatoren (8) ist so ein­gestellt, daß die Luft von außen über den ersten Schacht (5) an die eine Seite des Transportsystems herangeführt wird, anschließend laminar und horizontal quer zur Transportrichung der Leiterplatten (3) an diesen vorbei­geführt wird und über den zweiten Schacht (5) auf der anderen Seite des Transportsystems zusammen mit den Löt­dämpfen wieder nach außen abgeführt wird. Der dritte Ventilator (7) unterstützt diesen Abführungsprozeß, wobei in einer vorteilhaften Ausführungsform vor dem Ventilator (7) zusätzliche Luftansaugöffnungen in dem Abluftschacht (5) vorgesehen sind.
  • Die Drehzahl der geregelten Ventilatoren (8) und des un­geregelten Ventilators (7) bzw. die Anzahl und Größe der zusätzlichen Luftansaugöffnungen in dem Abluftschacht (5) sind so bemessen, daß zumindest während der Vorwärm-­Zwischenphase und der Löt- bzw. Entlötphase sowie während der Abkühl-Zwischenphase bis zum Erstarren des Lots auf den Leiterplatten (3) kein Unterdruck im Ofen (10) ent­steht.
  • Weiterhin weist der Ofen (10) auf der dem Abluftschacht (5) gegenüberliegenden Seite in der Mitte, etwa in der Höhe des Transportsystems, ein aufklappbares durch­sichtiges Sichtfenster (9) auf, das zum einen eine kontinuierliche Beobachtung der ablaufenden Prozesse im Ofen (10) ermöglicht und zum anderen bei Entlötvorgängen die Entnahme der entlöteten Bauteile per Hand (mit einer Pinzette oder einem Greifer) gestattet.
  • Ein typischer erfindungsgemäßer Verfahrensablauf beim Reflow-Löten wird im folgenden beschrieben. Bei diesem Beispiel wird auch die Lotpastentrocknung (Entgasen) in der erfindungsgemäßen Anordnung vorgenommen. Der zuge­hörige Temperaturverlauf einer ausgewählten Lötstelle ist in Figur 4 dargestellt. Zunächst werden beide Strahler­gruppen (1) eingeschaltet und mit niedrigem Betriebsstrom betrieben, so daß während 90 Sekunden die Lotpaste trocknet und sich Leiterplatten (3) und Bauteile auf ca. 110°C erwärmen. Dann wird zum Vorwärmen über eine vorgegebene erste Zeit von ca. 20 sec der Betriebsstrom höher ge­schaltet (aber auf gegenüber dem Höchstwert immer noch reduziertem Niveau), so daß sich die bestückten Schaltungsträger (3) von 100 auf ca. 160°C erwärmen. Nun wird für eine zweite vorgegebene Zeit von 4 bis 8 sec. der Betriebsstrom der Flächenstrahler (1) auf eine höchste vorgegebene Stufe geschaltet und anschließend ganz abgeschaltet. In dieser kurzen Zeit erwärmen sich die Bauteile und Lötstellen auf ca. 240°C, wobei die Lot­paste schmilzt und die Bauteile sicher mit den Lötstellen verlötet werden.
  • Die Leiterplatten (3) kühlen nun im konstanten laminaren Luftstrom von ca. 0,5 m/sec der Ventilatoren (8), die mit ca. 30% ihrer Nenndrehzahl betrieben werden, ab auf ca. 170°C. Die Ventilatoren (8) werden dann auf volle Drehzahl geschaltet, wodurch die an den Leiterplatten vorbeiströmende Luft diese rasch auf 60 bis 80°C abkühlt. Das Transportsystem mit den Leiterplatten (3) wird jetzt weitergetaktet zum Verlassen des Ofens und z.B. einer Durchlaufreinigungsanlage zugeführt.
  • Die erforderlichen Höhen des Betriebsstroms und die je­weiligen Einschaltzeiten der einzelnen Betriebsstufen sind empirisch zu ermitteln in Abhängigkeit vom Lötgut. Es gehen ein die Dicke des Basismaterials, Masse der Bauteile, Lotart usw. Figuren 3, 5 und 6 zeigen Löt­stellen-Temperaturverläufe für verschiedene Leiter­plattentypen.
  • Diese Einstellparameter können als Lötprogramme zu den jeweiligen Leiterplattentypen in einer speicherprogrammier­baren Mikrosteuerung und -regelung abgespeichert werden und jederzeit (z.B. bei weiteren Löt- oder Entlötvor­gängen) wieder abgerufen werden.
  • Zur Erhöhung des Durchsatzes des Lötofens (10) kann die Lotpastentrocknung von restlichen Prozeß getrennt werden und z.B. in einem vorgeschalteten Durchlaufofen erfolgen. Zwischen beiden Öfen wird dann eine Ausgleichsschleife eingerichtet. Bei Verwendung von Lotformteilen entfällt die Trocknung, die Höhe der Vorwärmtemperatur bleibt gleich. Die Vorwärmzeit beträgt je nach Art der Leiter­platten 20 bis 40 sec.
  • Die Regelschaltungen (vorzugsweise mit vorgeschaltetem Mikrorechner) werden über Zeitschaltungen (Relais), oder vorzugsweise über ein Infratrot-Thermometer ("Infrarot-­Sensor") (2) (Wellenlänge 5 - 8um oder 8 - 12µm) ange­steuert. Der IR-Sensor (2) ist im Ofen (10) angebracht, vgl. Figur 2, und mißt während der gesamten Erwärmungs und Kühlvorgänge die Temperatur z.B. eines Bauteils oder einer Lötstelle. Über Grenzkontakte schaltet er die ein­zelnen Betriebsstufen um.
  • Außerdem werden durch den Infrarot-Sensor (2) die Ventilatoren (8) eingeschaltet und in ihrer Drehzahl ge­regelt und das Takten des Transportsystems durchgeführt.
  • Bei vollautomatischem Betrieb, z.B. in einer Fertigungs­straße, können die Leiterplatten-spezifischen Einstell­daten von einem Strichcode, befestigt am Werkstückträger (4) oder einer Leiterplatte (3), automatisch abgelesen und über eine Stellelektronik (z.B. eine speicherprogram­mierte Mikrorechnersteuerung und -regelung) eingestellt werden. Auf einem Werkstückträger (4) müssen jedoch immer Leiterplatten (3) vom selben Typ sein. Bei temperatur­gesteuertem Betrieb muß zur Ermittlung der Temperatur zusätzlich dafür gesorgt werden, daß jeweils eine der zu bearbeitenden Leiterplatten (3) immer an der Stelle auf dem Werkstückträger (4) angeordnet wird, die von dem IR-Sensor überwacht wird.
  • Im folgenden wird ein typischer erfindungsgemäßer Ver­fahrensablauf beim Reflow-Entlöten beschrieben.
  • Die zu bearbeitenden Leiterplatten (3) mit den zu ent­lötenden Bauteilen werden entweder durch das Sichtfenster (9) oder über das getaktete Transportsystem an eine be­stimmte Stelle im Ofen (10) gebracht. Die übrigen nicht zu entlötenden Bauteile der Leiterplatte (3) werden dabei durch Bleche (vorzugsweise aus unbeschichteten Aluminium) von oben und unten abgedeckt und so vor der IR-Strahlung geschützt.
  • Vorzugsweise wird bei erst- und/oder einmaligen Reflow-­Entlöten an eine Lötstelle des zu entlötenden Bauteils zusätzlich Lötpaste angebracht.
  • Vergleichbar mit den Vorgängen beim Reflow-Löten wird das zu entlötende Bauteil zunächst bis zu einer bestimmten Lötstellentemperatur (ca. 160°C) vorgewärmt und an­schließend bis zur Schmelztemperatur der Lötpaste (ca. 183°C) kurz aufgeheizt. Der Vorgang wird durch das Sicht­ fenster (9) beobachtet. Schmilzt die Lotpaste, wird das Sichtfenster (9) geöffnet und das zu entlötende Bauteil von Hand z.B. mit einer Pinzette oder einem Greifer von der Leiterplatte (3) abgehoben und entfernt.
  • Sind auf mehreren gleichartigen Leiterplatten die gleichen Bauteile zu entlöten, wird in einer vorteilhaften Aus­führungsform der erfindungsgemäßen Anordnung beim erst­maligen Entlöten der Infrarot-Sensor (2) auf die Schmelz­temperatur der zusätzlich aufgebrachten Lötpaste geeicht (z. B. durch manuelles Drücken eines Signalgebers, der mit dem IR-Sensor (2) bzw. dessen Ansteuerung verbunden ist) und die Erzeugung der IR-Strahlung (11) durch die IR-Strahler (1) bei dem nachfolgenden Entlötprozessen ohne zusätzliche Lötpaste direkt durch den IR-Sensor (2) gesteuert.
  • Es versteht sich, das die erfindungsgemäße Lösung mit fachmännischem Wissen und Können weitergebildet und an spezielle Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies hier an dieser Stelle näher erläutert werden müßte.
  • So ist es z. B. möglich, für den laminar an den Leiter­platten vorbeiströmenden Gasstrom anstelle von Luft ein inertes Schutzgas wie z. B. Stickstoff oder Helium zu verwenden. Von Vorteil kann es auch sein, den Gasstrom in einen geschlossenen Kreislauf mit einer externen Vor­richtung zur Reinigung des Gases zu bewegen, wobei der Ofen Teil dieses geschlossenen Kreislaufs wäre. Weiterhin ist es möglich, die Infrarot-Flächenstrahler während der Abkühlphase (vorzugsweise nach dem Erstarren des Lots) forciert bis auf eine vorgegebene Mindesttemperatur abzu­kühlen, um reproduzierbare Startbedingungen zu gewähr­leisten. Ferner kann es von Vorteil sein (insbesondere beim Reflow-Entlöten), die nicht benötigten Infrarot-­Flächenstrahler überhaupt nicht einzuschalten. Schließlich ist es möglich, zur forcierten Kühlung der Infrarot-­Flächenstrahler den zur Kühlung der Leiterplatten vor­gesehene Gasstrom zu nutzen, indem ein Teil dieses Gas­stroms über entsprechende Klappen und Ventile auf die von den Leiterplatten abgewandten Außenseite der Reflektoren der Flächenstrahler geleitet wird.
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind:
    - daß im Ofen nur eine relativ geringe Wärmemenge ge­speichert wird, so daß es i. a. beim Abschalten der Anlage in Folge einer Störung im Fertigungsablauf nicht zu einer Zerstörung des Lötguts kommt.
    - daß das Lötgut während der kritischen Schmelz- und Erstarrungsphase des Lots im Fertigungsablauf keinen Erschütterungen ausgesetzt ist, die die Festigkeit und das Metallgefüge der Lötstellen negativ beein­flussen würden.
    - daß durch die Verwendung paralleler Wärmestrahlen von oben und unten, die senkrecht auf der Ober- bzw. Unterseite der Leiterplatte stehen, zum einen nur die zu entlötenden Bauteile entlötet werden und zum anderen auch keine Abschattungseffekte entstehen, so daß auch Chipcarrier problemlos entlötet werden können.
    - daß mit der forcierten Kühlung der IR-Flächen­strahler in der Abkühlphase und dem laminar an den Leiterplatten vorbeigeleiteten Gasstrom zusammen mit dem am Löt- bzw. Entlötort homogen ausgebildete Strahlungsfeld der Flächenstrahler einheitliche und reproduzierbare Löt- bzw. Entlötbedingungen her­stellbar sind.

Claims (28)

1. Verfahren zum Reflow-Löten oder Reflow-Entlöten von Leiterplatten mittels Infrarotstrahlung aus Strahler­gruppen in einem Ofen, bei welchem Verfahren die Leiter­platten in einer ersten Phase in den Ofen eingeführt werden, in einer zweiten Phase gelötet oder entlötet werden und in einer dritten Phase wieder aus dem Ofen herausgeführt werden, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Leiterplatten (3) in einer ersten Zwischen­phase zwischen der ersten und der zweiten Phase in dem Ofen (10) vorgewärmt werden und in einer zweiten Zwischenphase zwischen der zweiten und dritten Phase in dem Ofen (10) abgekühlt werden;
- daß die Leiterplatten (3) in der Vorwärm- und Ab­kühl-Zwischenphase und der Löt- oder Entlötphase in dem Ofen (10) nicht bewegt werden;
- daß die Infrarotstrahlung (11) im wesentlichen nur während der Vorwärm-Zwischenphase und der Löt- oder Entlötphase erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotstrahlung (11) am Löt- oder Entlötort im Ofen (10) nahezu homogen ist und aus einer Vielzahl von nahezu parallelen Wärmestrahlen gebildet wird, die von den Strah­lergruppen (1) erzeugt werden und nahezu senkrecht auf der Ober- bzw. Unterseite der Leiterplatten (3) stehen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Infrarotstrahlung (11) am Löt- oder Entlötort im Ofen (10) während der Löt- oder Entlötphase einen Maximalwert und während der Vor­wärm-Zwischenphase einen geringeren Wert als den Maximal­wert annimmt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Vorwärm- und Abkühl-­Zwischenphase und der Löt- oder Entlötphase durch vor­gegebene Werte der Lötstellentemperatur auf den Leiter­platten (3) bestimmt wird, derart, daß bei Erreichen eines dieser Werte die jeweils zugeordnete Phase oder Zwischen­phase beendet und die nachfolgende Zwischenphase oder Phase begonnen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötstellentemperatur auf den Leiterplatten (3) mittels mindestens eines Infrarotsensors (2) ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Absaugen der beim Löten oder Ent­löten entstehenden Lötdämpfe und/oder zum Abkühlen der gelöteten oder entlöteten Leiterplatten (3) ein Gasstrom mittels mindestens eines Ventilators (8) in dem Ofen (10) an den Leiterplatten (3) vorbeigeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens während der Vorwärm-Zwischenphase und der Löt- oder Entlötphase sowie während der Abkühl-Zwischenphase bis zum Erstarren des Lots auf den Leiterplatten (3) der Gasstrom laminar an den Leiterplatten (3) vorbeigeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gas­stroms mittels mindestens eines die Drehzahl des minde­stens einen Ventilators (8) regelnden Strömungssensors (6) geregelt wird und daß sie mindestens während der Vorwärm-­Zwischenphase und der Löt- oder Entlötphase sowie während der Abkühl-Zwischenphase bis zum Erstarren des Lots auf den Leiterplatten (3) durch die Regelung auf einem kon­stanten Wert gehalten wird, der kleiner oder gleich ist einem vorgegebenen Wert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms während der Abkühl-Zwischenphase nach dem Erstarren des Lots auf den Leiterplatten (3) auf einen Wert erhöht wird, der zwischen dem vorgegebenen Wert und dem Maximalwert liegt oder gleich dem Maximalwert ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlergruppen (1) während der Abkühl-Zwischenphase bis auf eine vorgegebene Mindest­temperatur forciert abgekühlt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Leiterplatten (3) auf einem getakteten und während der Vorwärm- und Abkühl-Zwischenphase und der Löt- oder Entlötphase stillstehenden Band oder Werk­stückträger (4) in den Ofen (4) gefahren werden;
- daß die Strahlergruppen (1) während der Vorwärm-Zwi­schenphase für eine erste vorgegebene Zeit mit redu­ziertem Betriebsstrom und während der Löt- oder Entlötphase für eine zweite vorgegebene Zeit auf einen höchsten vorgegebenen Betriebsstrom betrieben werden;
- daß der mindestens ein Ventilator (8) während der Vorwärm-Zwischenphase und der Löt- oder Entlötphase und während der Abkühl-Zwischenphase bis zum Erstar­ ren des Lots auf den Leiterplatten (3) mit reduzier­ter Drehzahl und während der Abkühlphase nach dem Er­starren des Lots mit voller Drehzahl betrieben wird;
- daß nach Beendigung der Abkühl-Zwischenphase die gelöteten oder entlöteten Leiterplatten (3) auf dem getakteten Band oder Werkstückträger (4) aus dem Ofen (10) herausgefahren werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit Ver­wendung von Lotpasten, dadurch gekennzeichnet, daß beim Reflow-Löten zur Lotpastentrocknung die Leiterplatten (3) durch einen vorgeschalteten Durchlaufofen geführt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß beim Reflow-Entlöten von einzelnen Bauteilen auf den Leiterplatten (3) die übrigen nicht zu erwärmenden Bauteile auf den Leiterplatten (3) durch je ein Blech von oben und von unten abgedeckt werden und daß das zu entlötende Bauteil nach dem Schmelzen des Lots durch ein aufklappbares Sichtfenster (9) von Hand mittels einer Pinzette oder eines Greifers abgehoben und entfernt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Lötstelle des zu entlötenden Bauteils auf der Leiterplatte (3) zusätzlich Lotpaste aufgebracht wird und das Bauteil erst nach Schmelzen dieser Lotpaste abgehoben und entfernt wird.
15. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An­spruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß durch den Ofen (10) ein Transportsystem mit einem getakteten Antriebssystem geführt ist;
- daß im Ofen (10) über und/oder unter dem Transport­system im gleichen Abstand zu den transportierten Leiterplatten (3) jeweils mehrere Infrarot-Flächen­strahler (1) nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sind;
- daß die Infrarot-Flächenstrahler (1) jeweils Regel­schaltungen für den Betriebsstrom aufweisen;
- daß zur Erzeugung des Gasstroms mit einer horizonta­len Strömungsrichtung quer zur Transportrichtung der Leiterplatten (3) im Ofen (10) auf der einen Seite des Transportsystems ein erster Schacht (5) mit einem ersten Ventilator (8) zum Ansaugen des Gases und auf der anderen Seite des Transportsystems ein zweiter Schacht (5) mit einem zweiten Ventilator (8) zum Absaugen des Gases und der Lötdämpfe vorgesehen ist;
- daß die Ventilatoren (8) jeweils Regelschaltungen für ihre Antriebsmotore (M) aufweisen.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltungen für die Antriebsmotore (M) der Ventilatoren (8) jeweils einen in dem zugehörigen Schacht (5) befindlichen Strömungssensor (6) enthalten.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas von außen angesaugte bzw. nach außen abgegebene Luft ist.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Ausgang des Schachtes (5) zum Absaugen des Gases und der Lötdämpfe zusätzlich noch ein ungeregelter Ventilator (7) befindet und daß der Kanal (5) an dieser Stelle zusätzliche Ansaugöffnungen für die Außenluft aufweist.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff, ist.
20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in einen geschlossenen Kreislauf durch den Ofen (10) geführt ist und daß dieser Kreislauf eine exter­ne Vorrichtung zur Reinigung des Gases aufweist.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltungen über einstellbare Zeitschaltungen ansteuerbar sind.
22. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß im Ofen ein Infrarot-Thermometer (2) angebracht ist, welches über Grenzkontakte die Regelschal­tungen ansteuert.
23. Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitschaltungen und die Höhen der Betriebsströme durch am Transportsystem oder an den Lei­terplatten angebrachte Strichcodes einstellbar sind.
24. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Absaugschacht (5) gegen­überliegenden Seitenwand des Ofens (10) in der Mitte, etwa in der Höhe des Transportsystems, ein aufklappbares Sicht­fenster (9) angebracht ist.
25. Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Sichtfenster aus durchsichtigem Material besteht.
26. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche zum Abdecken der Leiter­platten (3) beim Reflow-Entlöten aus unbeschichtetem Aluminiumblech bestehen.
27. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung und Regelung der Vor­gänge eine speicherprogrammierbare Mikrorechnersteuerung und -regelung vorgesehen ist.
28. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellparameter in der Mikrorechnersteuerung und -regelung abgespeichert sind und zum Löten- oder Entlöten gleichartiger Leiterplatten (3) bzw. gleichartiger Bauteile auf gleichartigen Leiterplatten (3) ohne Korrek­tur verwendbar sind.
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